流場中變截面加筋柱殼結構聲振特性分析

王　宏，劉賢賀，徐　偉（. 渤海船舶職業(yè)學院，遼寧 葫蘆島 505；. 哈爾濱工程大學，黑龍江 哈爾濱 5000）

流場中變截面加筋柱殼結構聲振特性分析

王宏1，劉賢賀1，徐偉2
（1. 渤海船舶職業(yè)學院，遼寧 葫蘆島 125015；2. 哈爾濱工程大學，黑龍江 哈爾濱 150001）

基于傳遞矩陣法給出了流場中變截面加筋柱殼結構在受集中力和聲壓作用下振動與聲輻射的求解過程，并在確定模態(tài)截斷算法有效性的基礎上開展對結構振動特性的研究，分析了環(huán)板-圓柱殼加筋柱殼結構的損耗因子、流體介質、殼體厚度、環(huán)肋數(shù)目對其聲振特性的影響。結果表明，流體介質的存在使結構振動減小，輻射聲壓增加；損耗因子增加，振動和輻射聲壓在中高頻段降低；殼體厚度增大，殼體的振動響應減小，低頻段輻射聲壓降低，高頻段輻射聲壓交叉波動；環(huán)肋數(shù)目增加，結構振動減小，在中高頻段，輻射聲壓降低。

變截面加筋柱殼；傳遞矩陣；振動；聲輻射

0　前　言

潛艇的艇體、魚雷等水下航行體外殼以及海洋平臺的柱腿等結構大多可以簡化為變截面加筋柱殼結構。在這些結構中，由于截面突變，使得它們往往是產生振動和輻射噪聲的重要部分，且這些結構處于流場當中，其振動不能忽略流體的影響，因此對流場中變截面加筋柱殼結構的聲振動特性進行研究具有重要的實際意義。

國內外關于圓柱殼結構的聲振特性研究較多。通常采用能量法計算圓柱殼和肋骨的動能、應變能以及殼體表面聲壓、靜水壓力和激勵力的勢能，再運用哈密頓原理推導出系統(tǒng)的動力學方程［1］，進行求解。也可以采用 Flügge 殼體理論和 Helmholtz 波動方程［2］，計算圓柱殼體的聲振特性。對于變截面柱殼結構聲振特性分析通常采用能量法或冪級數(shù)展開的方法［3］，并利用攝動法或波傳播法［4］對變截面柱殼的振動和聲輻射進行研究。但目前，針對船舶工程中復雜的變截面加筋柱殼結構的研究還不多見。

本文采用傳遞矩陣法給出變截面加筋柱殼結構在受集中力、聲壓作用下振動響應的求解過程，并探討計算所取周向波數(shù)、聲壓系數(shù)、積分步長對計算精度的影響。在此基礎上開展對結構振動特性的研究，分析結構損耗因子、流體介質、殼體厚度、環(huán)肋數(shù)目對變截面加筋柱殼結構聲振特性的影響。

1　外界激勵作用下的振動響應的求解

流場對變截面加筋柱殼結構的作用即將聲壓Kmn（P）激勵力中單項廣義聲壓作為外激勵力考慮進去，相對于考慮集中激勵力單獨作用的情況更加復雜，同時對于環(huán)肋或者變截面處的傳遞矩陣則可沿用文獻［5］的處理方法，對于變厚度加筋柱殼結構流場壓力的處理方式參考文獻［6］，對于錐殼-圓柱殼、環(huán)板-圓柱殼組合結構的流場作用參考文獻［7］。外界激勵作用下結構振動響應的求解過程如下：

1）將結構沿著母線方向分成 N 個分段。

2）對 N 個分段分別進行分析，若第 j 個分段之中沒有環(huán)肋或截面突變，則滿足：

若第 j 個分段之中有環(huán)肋或者截面突變，則滿足：

式中：Tj + 1為第 j 分段的場傳遞矩陣；U 為圓柱殼、錐殼或環(huán)板的系數(shù)矩陣，參見文獻［4］；Pj + 1為第 j分段外載荷作用引起的非齊次項；為結構的外載荷。

3）計算 Tj + 1、Pj + 1，構造第 j 分段的傳遞關系：

對于 Tj + 1的求解采用鐘萬勰［8］的精細算法進行處理。

對于 Pj + 1的計算，可通過高斯積分法求解：

式中，n 為積分點的個數(shù)，xk為積分點的坐標，Ak為加權系數(shù)。

將式（3）代入第 j 分段的傳遞關系中可得：

4）借助于有限元封裝剛度陣、質量陣的思想，將N 段整合成總的方程組：

根據(jù)兩端的邊界條件，刪除系數(shù)矩陣中狀態(tài)向量的值為 0 的列，通過求解方程可得到流場下結構各處的狀態(tài)向量值。

2　流場輻射聲壓的求解

根據(jù)疊加原理可知，變截面加筋柱殼結構表面各點在給定周向波數(shù) n 下的法相位移為：

對于殼體兩端人為假定的剛性障板來說（剛性障板 S1，S3與變截面組合殼表面 S2一起組成封閉結構），滿足

在 S2區(qū)域，以幾何突變結構為例，存在關系：

給定周期定向波數(shù) n 下，對于封閉系統(tǒng)表面任一點在均滿足上式。故沿著封閉系統(tǒng)母線進行配點，配點數(shù)目要求，可以構造線性方程組：

展開系數(shù)構成的列向量可知：

由于該方程組為超靜定方程組，故可用 Moore-Penrose 廣義求逆法進行求解式中｛c｝，將求得結果再代入式中可求出流場輻射聲壓。

3　模態(tài)的截斷及算法有效性

本文方法是基于模態(tài)展開來研究結構的聲振性能的，而對殼體振動與聲輻射起主導作用的僅是其中一部分模態(tài)，在確保計算精度的條件下，希望減小計算量，因此在求解結構的聲振特性之前，首先需要對模態(tài)進行截斷，即確定周向波數(shù)、聲壓系數(shù)、積分步長、配點數(shù)等。通過本文方法的計算結果與文獻［1］中的理論計算結果和試驗值進行對比，并綜合考慮計算精度、效率和時間，取積分步長 0.005 m、配點數(shù) 61個、周向波數(shù) 0～9、聲壓系數(shù) 0～25 比較合適，計算結果能滿足精度要求。

4　變截面加筋柱殼結構聲振特性分析

1）損耗因子對振動和聲輻射的影響

圖 1 所示為含有3道環(huán)肋的環(huán)板-圓柱殼組合柱殼結構簡圖。殼體材料選用鋼，其結構質量密度，彈性模量，泊松比，流體介質密度，水中聲速。圓柱殼參數(shù)為：小圓柱段 L1= L2= L7= L8= 0.4 m，半徑；大圓柱長，半徑，圓柱殼和環(huán)板厚度均為 0.002 m，3根外肋截面尺寸 2 mm × 50 mm，結構在截面突變處受到單位諧激勵力，采用前述傳遞矩陣法計算結構的振動與聲輻射響應，計算的頻率范圍為20～1 000 Hz，研究結構損耗因子對聲振特性的影響，分別取結構損耗因子為 0.002，0.004，0.006，得到各考核點的振動加速度級或輻射聲壓級對比曲線如圖 2所示。

圖 1　環(huán)板-圓柱殼加筋柱殼結構以及考核點Fig. 1　The ring plate - cylindrical shell stiffened cylindrical shell structure and check point

圖 2　不同損耗因子下結構的振動與聲輻射響應曲線Fig. 2　The curve of structure vibration and acoustic radiation under the different dissipation factor

從圖中可看出：1）結構阻尼損耗因子對變截面加筋柱殼結構聲振特性有較大的影響，在 200 Hz 之前的低頻段，損耗因子的影響較小，不同損耗因子下的振動和聲輻射曲線基本吻合在一起；2）而在中高頻段，隨著損耗因子的增加，輻射聲壓和振動響應均整體降低，尤其在曲線的峰值點下降更多，曲線由陡峭變得平緩。

2）流體介質對振動和聲輻射的影響

圖 3 給出了結構分別置于水和空氣中對應的振動與聲輻射對比曲線，由圖可知：流體介質對結構的聲振特性影響較大，這是因為流體介質的阻抗不同改變了流體與結構相互耦合的輻射阻抗值，進而改變了圓柱殼體的共振和聲輻射特性。具體規(guī)律為：1）就振動特性而言，在頻段內水中的振動小于空氣中的振動，且振動峰值點被壓平，曲線變平緩，可見重流體介質可以很好的抑制隔振峰值；2）對于結構聲輻射，在空氣中的輻射聲壓級明顯小于水中聲壓，且在空氣中曲線波動減少，波幅變大。

3）殼體厚度對振動和聲輻射的影響

圖 4 給出了柱殼殼體厚度分別為 0.002 m，0.004 m，0.006 m 所對應考核點的振動與聲輻射對比曲線。由圖可知：1）在低頻段，隨著殼體厚度增大，振動和聲輻射均減?。?）隨著頻率升高，殼體厚度增大，結構的振動響應減小，但聲輻射曲線出現(xiàn)交叉波動的特征?？梢?，殼體厚度增加引起的剛度增大，降低了結構的振動，同時改變了結構的聲輻射頻響規(guī)律。

圖 3　不同流體介質下結構的振動與聲輻射響應曲線Fig. 3　The curve of structure vibration and acoustic radiation under the different fluid medium

圖 4　不同殼體厚度下結構的振動與聲輻射響應曲線Fig. 4　The curve of structure vibration and acoustic radiation under the different shell thickness

4）環(huán)肋數(shù)目對振動和聲輻射的影響

圖 5 給出了結構環(huán)肋數(shù)目為 0、環(huán)肋數(shù)目 2（保留環(huán)肋 1、3）、環(huán)肋數(shù)目3所對應考核點的振動與聲輻射對比曲線。通過對比分析可知：1）環(huán)肋的存在改變了柱殼結構的振動特性，使得加速度響應從低頻段開始就發(fā)生較大差異，并引起加速度響應尖峰位置和高度的改變；2）隨著環(huán)肋數(shù)目的增加，剛度增大，總體上來看加速度響應也有所減??；3）對于結構聲輻射，在低于 200 Hz 的低頻段環(huán)肋的數(shù)目對結構輻射聲壓的影響較小，在中高頻段，隨著環(huán)肋數(shù)目的增加，輻射聲壓級也有顯著降低。

圖 5　不同殼體厚度下結構的振動與聲輻射響應曲線Fig. 5　The curve of structure vibration and acoustic radiation under the different ring stiffeners number

5　結　語

本文將流場對結構的聲壓作為外力考慮進來，基于傳遞矩陣法給出變截面加筋柱殼結構在受集中力、聲壓作用下振動與聲輻射的求解過程，并通過算例計算確定周向波數(shù)、聲壓系數(shù)、積分步長等參數(shù)的選取。在此基礎上開展對結構振動特性的研究，分析了環(huán)板-圓柱殼加筋柱殼結構的損耗因子、流體介質、殼體厚度、環(huán)肋數(shù)目對其聲振特性的影響，主要結論如下：

1）損耗因子在低頻段對結構的聲振響應影響較小，而在中高頻段，振動響應和輻射聲壓均隨損耗因子增加整體降低，尤其是在振動響應的峰值點則下降更顯著；

2）流體介質對結構的聲振特性影響較大，就振動特性而言，在頻段內水中的振動小于空氣中的振動，且振動峰值點被壓平，曲線變平緩，對于結構聲輻射，在空氣中的輻射聲壓級明顯小于水中聲壓，且在空氣中曲線波動減少，波幅變大。

3）殼體厚度增大能夠減小殼體的振動響應，降低低頻段結構的聲輻射，同時使中高頻段的聲輻射曲線出現(xiàn)交叉波動的復雜特征。

4）環(huán)肋數(shù)目增加后，結構振動減小，而結構輻射聲壓在低頻段無明顯變化，但在中高頻段，隨著環(huán)肋數(shù)目的增加，輻射聲壓級也有顯著降低。

［1］謝官模. 環(huán)肋圓柱殼在流場中的動力響應和聲輻射［D］. 武漢：華中理工大學，1994. XIE Guan-mo. Dynamic response and acoustic radiation of a ring stiffened cylindrical shell in fluid field［D］. Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，1994.

［2］陳越澎，駱東平，陳曉寧，等. 流場中雙層殼體結構振動特性研究［J］. 華中理工大學學報，1999，27（1）：72-73. CHEN Yue-peng，LUO Dong-ping，CHEN Xiao-ning，et al. A study of the characteristics of vibration in a double shell in a fluid field［J］. Journal of Huazhong University of Science and Technology，1999，27（1）：72-73.

［3］曹雄濤，華宏星. 流體作用下正交各向異性圓錐殼的自由振動［J］. 振動與沖擊，2011，30（11）：95-100. CAO Xiong-tao，HUA Hong-xing. Free vibration of orthotropic conical shell interacting with fluid［J］. Journal of Vibration and Shock，2011，30（11）：95-100.

［4］GUO Y P. Fluid-loading effects on waves on conical shells［J］. Journal of the Acoustical Society of America，1995，92（2）：1061-1066.

［5］王宏，劉賢賀，徐偉. 變截面加筋柱殼結構振動特性分析［J］.艦船科學技術，2015，37（8）：35-39，44. WANG Hong，LIU Xian-he，XU Wei. Analysis of vibration characteristics of variable cross-section stiffened cylindrical shell［J］. Ship Science and Technology，2015，37（8）：35-39，44.

［6］曹雷，馬運義，黃玉盈. 基于Riccati傳遞矩陣法分析水下有限長環(huán)肋圓柱殼的聲輻射性能［J］. 振動與沖擊，2009，28（9）：149-154. CAO Lei，MA Yun-yi，HUANG Yu-ying. Analysis of acoustic radiation of a ring-stiffened cylindrical shell with finite length in underwater based on Riccati transfer matrix method［J］. Journal of Vibration and Shock，2009，28（9）：149-154.

［7］KOOPMANN G H，SONG L M，F(xiàn)AHNLINE J B. A method for computing acoustic fields based on the principle of wave superposition ［J］. Journal of the acoustical society of America，1989，86（6）：2433-2438.

［8］鐘萬勰. 結構動力方程的精細時程積分法［J］. 大連理工大學學報，1994，34（2）：131-136. ZHONG Wan-xie. On precise time-integration method for structural dynamics［J］. Journal of Dalian University of Technology，1994，34（2）：131-136.

Analysis on vibration and acoustic radiation of variable cross-section stiffened cylindrical shell in water

WANG Hong1，LIU Xian-He1，XU Wei2
（1. Bohai Shipbuilding Vocational College，Huludao 125015，China；2. Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

Base on transfer matrix method，a solution of vibration and acoustic radiation of variable cross-section stiffened cylindrical shell in water under concentrated force and sound pressure was given. After availability of module truncation algorithm was confirmed，the research on vibration and acoustic radiation of the structure was carried out. The influence on vibration and acoustic radiation of the ring plate-cylindrical shell stiffened cylindrical shell structure was analyzed when the dissipation factor，fluid medium，shell thickness and number of ring stiffeners of the structure were changed. The results shown that the structural vibration was reduced and acoustic radiation pressure was increased when the fluid medium was existed；the vibration and acoustic radiation pressure were reduced at medium-high frequencies when the dissipation factor was increased；the vibration response of the shell was reduced with the thickness increased，and acoustic radiation pressure was reduced at the low frequencies，acoustic radiation pressure was cross fluctuations at high frequencies；the structure vibration was reduced with the ring stiffener number increased and the acoustic radiation pressure was reduced at high frequencies.

variable cross-section stiffened cylindrical shell；transfer matrix；vibration；acoustic radiation

TB532

A

1672 - 7619（2016）08 - 0029 - 05

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2016.08.006

2016 - 02 - 02；

2016 - 05 - 09

王宏（1973 - ），男，博士，副教授，主要從事船舶與海洋結構物性能與安全方面研究。